太陽電池原理—丁珂(最終版)

1、太陽電池的基本原理太陽電池的基本原理小組成員：小組成員： 丁丁 珂珂 常睿璇常睿璇 孫曉君孫曉君 閆紅旭閆紅旭 楊楊 茹茹課前討論課前討論 目前，人類是如何利用太目前，人類是如何利用太陽輻射能的？陽輻射能的？1.1.定義：太陽能直接轉(zhuǎn)化為熱能。定義：太陽能直接轉(zhuǎn)化為熱能。2.2.分類：分類： a). a).平板式集熱器平板式集熱器 例如：太陽能熱水器、太陽能干燥器例如：太陽能熱水器、太陽能干燥器 b). b).聚焦式集熱器聚焦式集熱器 例如：反射式太陽灶、高溫太陽爐例如：反射式太陽灶、高溫太陽爐1.1.定義：太陽能直接轉(zhuǎn)化為電能。定義：太陽能直接轉(zhuǎn)化為電能。2.2.基本裝置：太陽電池。基本裝置

2、：太陽電池。3.3.基本原理：基本原理：光伏效應(yīng)光伏效應(yīng)。 晶硅太陽電池，晶硅太陽電池， 包括：單晶硅和多晶硅太陽電池包括：單晶硅和多晶硅太陽電池 非晶硅太陽電池非晶硅太陽電池 薄膜太陽電池薄膜太陽電池 化合物太陽電池化合物太陽電池 包括：砷化鎵電池；硫化鎘電池等包括：砷化鎵電池；硫化鎘電池等 有機半導(dǎo)體太陽電池有機半導(dǎo)體太陽電池 單晶硅太陽電池單晶硅太陽電池 多晶硅太陽電池多晶硅太陽電池航天器光伏系統(tǒng) 光生伏特光生伏特效應(yīng)效應(yīng)（光伏效應(yīng)光伏效應(yīng)） 光與半導(dǎo)體的相互作用可以產(chǎn)生光與半導(dǎo)體的相互作用可以產(chǎn)生光光生載流子生載流子。光生載流子光生載流子 當(dāng)光照射半導(dǎo)體時，若光子的能當(dāng)光照射半導(dǎo)體時，

3、若光子的能量等于或大于半導(dǎo)體的量等于或大于半導(dǎo)體的禁帶禁帶寬度，使寬度，使得半導(dǎo)體中原子的價電子受到激發(fā)，得半導(dǎo)體中原子的價電子受到激發(fā)，在在p p區(qū)、空間電荷區(qū)和區(qū)、空間電荷區(qū)和n n區(qū)都會產(chǎn)生光區(qū)都會產(chǎn)生光生電子生電子- -空穴對，也稱光生載流子。空穴對，也稱光生載流子。 光生伏特光生伏特效應(yīng)效應(yīng)（光伏效應(yīng)光伏效應(yīng)） 光與半導(dǎo)體的相互作用可以產(chǎn)生光與半導(dǎo)體的相互作用可以產(chǎn)生光光生載流子生載流子。當(dāng)將所產(chǎn)生的當(dāng)將所產(chǎn)生的電子電子- -空穴空穴對對靠半導(dǎo)體內(nèi)形成的勢壘分開到兩極時靠半導(dǎo)體內(nèi)形成的勢壘分開到兩極時，兩極間就會產(chǎn)生兩極間就會產(chǎn)生電位差（即電勢）電位差（即電勢）。兩者連通，便形成電流

4、回路。兩者連通，便形成電流回路。 光伏效應(yīng)光伏效應(yīng)：首先是由光子轉(zhuǎn)化為電子（：首先是由光子轉(zhuǎn)化為電子（光能量轉(zhuǎn)化為電能量的過程）；其次，是光能量轉(zhuǎn)化為電能量的過程）；其次，是形成電壓過程。形成電壓過程。 因此太陽電池又稱光伏（因此太陽電池又稱光伏（PVPV）器件。）器件。一一般，般，以以PNPN結(jié)勢壘來論述光伏效應(yīng)。結(jié)勢壘來論述光伏效應(yīng)。 太陽電池的工作過程太陽電池的工作過程 光伏效應(yīng)光伏效應(yīng) 吸收光子，產(chǎn)生電子空穴吸收光子，產(chǎn)生電子空穴對對 電子空穴對被內(nèi)建電場分電子空穴對被內(nèi)建電場分離，在離，在PNPN結(jié)兩端產(chǎn)生電勢結(jié)兩端產(chǎn)生電勢 將將PNPN結(jié)用導(dǎo)線連接，形成結(jié)用導(dǎo)線連接，形成電流電流

5、在太陽電池兩端連接負(fù)在太陽電池兩端連接負(fù)載，實現(xiàn)了將光能向電能載，實現(xiàn)了將光能向電能的轉(zhuǎn)換的轉(zhuǎn)換硅原子的共價鍵結(jié)構(gòu)硅原子的共價鍵結(jié)構(gòu) 在硅晶體中每個原子有在硅晶體中每個原子有4 4個相鄰個相鄰原子，并和每一個相鄰原子共用原子，并和每一個相鄰原子共用2 2個價電子，形成個價電子，形成8 8電子穩(wěn)定結(jié)構(gòu)。電子穩(wěn)定結(jié)構(gòu)。 從硅的原子中分離出一個電子需從硅的原子中分離出一個電子需要要1.12eV1.12eV能量，該能量稱為硅的禁能量，該能量稱為硅的禁帶寬度。這種電子是自由的傳導(dǎo)電帶寬度。這種電子是自由的傳導(dǎo)電子，能自由移動并傳送電流。子，能自由移動并傳送電流。硅原子的共價鍵結(jié)構(gòu)硅原子的共價鍵結(jié)構(gòu) 在硅

6、晶體中摻入少量的在硅晶體中摻入少量的5 5價電子價電子物質(zhì)（如物質(zhì)（如: :磷），磷原子最外層有磷），磷原子最外層有5 5個價電子，所以個價電子，所以1 1個磷原子同相鄰個磷原子同相鄰的的4 4個硅原子結(jié)成共價鍵時，還多個硅原子結(jié)成共價鍵時，還多余余1 1個價電子，這個價電子易掙脫個價電子，這個價電子易掙脫磷原子核的吸引而變成自由電子。磷原子核的吸引而變成自由電子。 即：摻入即：摻入5 5價電子物質(zhì)的價電子物質(zhì)的4 4價半導(dǎo)價半導(dǎo)體，就成了電子導(dǎo)電類型的半導(dǎo)體，體，就成了電子導(dǎo)電類型的半導(dǎo)體，也稱為也稱為n n型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體。 n n型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體 同理，若在硅晶體中摻入同理，若在硅晶體中

7、摻入3 3價電價電子物質(zhì)（如：硼），硼原子最外層只子物質(zhì)（如：硼），硼原子最外層只有有3 3個價電子，它與相鄰的硅原子形個價電子，它與相鄰的硅原子形成共價鍵時，還缺少成共價鍵時，還缺少1 1個價電子，因個價電子，因而在一個共價鍵上要出現(xiàn)一個空穴，而在一個共價鍵上要出現(xiàn)一個空穴，因此摻入因此摻入3 3價電子物質(zhì)的價電子物質(zhì)的4 4價半導(dǎo)體，價半導(dǎo)體，也稱為也稱為p p型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體。P P型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體 若將若將p p型半導(dǎo)體和型半導(dǎo)體和n n型半導(dǎo)體制作型半導(dǎo)體制作在同一塊半導(dǎo)體（通常是硅）基片在同一塊半導(dǎo)體（通常是硅）基片上，會產(chǎn)生怎樣神奇的效果呢？上，會產(chǎn)生怎樣神奇的效果呢？ 在靠近交

8、界面附近的在靠近交界面附近的p p區(qū)中，空區(qū)中，空穴要由濃度大的穴要由濃度大的p p區(qū)向濃度小的區(qū)向濃度小的n n區(qū)區(qū)擴散，并與那里的電子復(fù)合，從而擴散，并與那里的電子復(fù)合，從而使那里出現(xiàn)一批帶正電荷的攙入雜使那里出現(xiàn)一批帶正電荷的攙入雜質(zhì)的離子。質(zhì)的離子。 同時在同時在p p型區(qū)內(nèi)，由于跑掉了一型區(qū)內(nèi)，由于跑掉了一批空穴而呈現(xiàn)帶負(fù)電荷的攙入雜質(zhì)批空穴而呈現(xiàn)帶負(fù)電荷的攙入雜質(zhì)的離子。的離子。 同樣在靠近交界面附近的同樣在靠近交界面附近的n n區(qū)中，區(qū)中，電子要由濃度大的電子要由濃度大的n n區(qū)向濃度小的區(qū)向濃度小的p p區(qū)擴散，而電子則由濃度大的區(qū)擴散，而電子則由濃度大的n n區(qū)區(qū)要向濃度小的

9、要向濃度小的p p區(qū)擴散，并與那里區(qū)擴散，并與那里的空穴復(fù)合，從而使那里出現(xiàn)一批的空穴復(fù)合，從而使那里出現(xiàn)一批帶負(fù)電荷的攙入雜質(zhì)的離子。帶負(fù)電荷的攙入雜質(zhì)的離子。 同時在同時在n n型區(qū)內(nèi)，由于跑掉了一型區(qū)內(nèi)，由于跑掉了一批電子而呈現(xiàn)帶正電荷的攙入雜質(zhì)批電子而呈現(xiàn)帶正電荷的攙入雜質(zhì)的離子。的離子。 于是，擴散的結(jié)果是在交界面的于是，擴散的結(jié)果是在交界面的兩邊形成一邊帶正電荷而另一邊帶兩邊形成一邊帶正電荷而另一邊帶負(fù)電荷的一層很薄的區(qū)域，稱為空負(fù)電荷的一層很薄的區(qū)域，稱為空間電荷區(qū)。這就是間電荷區(qū)。這就是 p-n p-n 結(jié)。結(jié)。P-N結(jié)結(jié) 在在p-np-n結(jié)內(nèi)，由于兩邊分別積結(jié)內(nèi)，由于兩邊分別積聚了負(fù)電荷和正電荷，會產(chǎn)生一個聚了負(fù)電荷和正電荷，會產(chǎn)生一個由正電荷指向負(fù)電荷的電場，因此由正電荷指向負(fù)電荷的電場，因此在在 p-n p-n 結(jié)內(nèi)，存在一個由結(jié)內(nèi)，存在一個由n n區(qū)指向區(qū)指向p p區(qū)的電場，稱為區(qū)的電場，稱為內(nèi)建電場內(nèi)建電場。 P-N結(jié)結(jié) 因此在因此在 p-n p-n 結(jié)兩側(cè)形成了正、結(jié)兩側(cè)形成了正、負(fù)電荷的積累，形成與內(nèi)建電場方負(fù)電荷的積累，形成與內(nèi)建電場方向相反的光生電場。這個電場除了向相反的光生電場。這個電場除了一部分抵消內(nèi)建電